CN109188395A - 一种全偏振条纹管激光成像雷达装置 - Google Patents

一种全偏振条纹管激光成像雷达装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全偏振条纹管激光成像雷达装置。该装置包括：激光器；扩束镜，设置在激光器的输出光路上；接收天线，设置在待测目标的出射光路上；狭缝，设置在接收天线的输出光路上；聚焦透镜，设置在狭缝的出射光路上；偏振分光系统，设置在聚焦透镜的输出光路上；条纹管探测器，设置在偏振分光系统的输出光路上；图像采集装置，设置在条纹管探测器上；图像处理装置，与图像采集装置连接。本发明能够同时获取被测目标的强度信息、距离信息和全偏振信息，进而能够提高对待测目标进行探测和识别的精度，可靠性高。

Description

一种全偏振条纹管激光成像雷达装置
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，特别是涉及一种全偏振条纹管激光成像雷达装置。
背景技术
在复杂背景中有效探测和识别特定目标，尤其是具有隐藏能力的运动目标，是军事和民用领域中目标探测感知领域的一个重要内容。其目的就是通过利用光学、声学和电子学等手段对感兴趣目标进行捕获，进而获取其外形、尺寸、位置、功能等信息来完成目标的识别或跟踪。从探测手段上可分为无线电探测和光电探测等。
根据成像波段和原理的不同，光电探测又主要分为强度探测(可见光、红外、紫外等波段)、光谱探测、激光雷达探测、偏振探测等几种。强度探测利用目标和背景呈现出的辐射强度差异进行探测，具有隐蔽可靠、探测周期长等优势，但由于是被动探测，因而探测效果容易受到距离、天气以及目标辐射特性等影响；光谱探测采用光谱特性、空间特性和时间特性等多维判别方法来区分目标和背景，通过不同的光谱特征获得特定的目标信息，具有较广的探测范围和较高的分辨率，但容易受到宇宙辐射等干扰，探测效果稳定性较差。
激光雷达探测技术是利用主动发射激光照射目标，通过获取和分析接收回来的激光对目标进行探测和识别，克服了被动成像的缺点。传统的扫描试激光成像雷达系统因为多出了机械扫描机构损失了便携行，而且帧频非常低。但是条纹管激光雷达则能够获得高分辨率的距离像和强度像，有着非扫描，视场角大，成像帧频高，距离精度高等优点，无论是在军事上还是民用上都有很高的应用价值。
目前，条纹管激光雷达装置主要包括以下几种：1、利用条纹管作为探测器的焦平面成像系统，该系统采用脉冲式半导体泵浦的固体激光器作为发射机，当激光器发出一个线光脉冲，接收系统就会得到一幅像，被称为“闪光式”单狭缝条纹管激光成像雷达，该系统无法获取目标的偏振信息，且对天气条件的要求较高，对于由大雾或因大风引起的海面雾化的海洋情况探测结果较差。2、多光谱条纹管激光成像雷达，其利用多波长激光器发射混合多波长激光束，混合多波长激光束通过扩束棱镜，接收系统接收将接收到不同波长的回波激光束，后在条纹管内部的荧光屏不同区域内形成多光谱条纹图像，并耦合成像在CCD相机上，该雷达对天气条件的要求较高，对于由大雾或因大风引起的海面雾化的海洋情况探测结果较差。3、条纹管激光雷达偏振成像系统，该基于条纹管激光偏振雷达系统，在发射系统中和接收系统中分别加入由偏振器和波片组成的偏振状态产生器和由1/4波片配合渥拉斯顿棱镜组成的偏振状态分析器，由偏振状态分析器解偏接收系统得到的散射光，获取两束振动方向正交的线偏振光，经由条纹管探测器形成两束条纹，后由CCD相机记录，其无法获取光的完全偏振信息。
可见，目前的条纹管激光雷达装置，只能获取被测目标的强度信息、距离信息，因此导致在实际测量中对测量条件要求苛刻，测量精度同样大大降低，即无法同时获得被测目标的强度信息、距离信息和全偏振信息，导致对目标探测和识别的精度不高，不能适用于军事上隐藏和伪装的目标探测和识别。
发明内容
基于此，有必要提供一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，以同时获取被测目标的强度信息、距离信息和全偏振信息，提高对待测目标探测和识别的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，包括：
激光器，用于发出激光光束；
扩束镜，设置在所述激光器的输出光路上，用于对所述激光光束进行扩束，并将扩束后的激光光束入射到待测目标上；
接收天线，设置在所述待测目标的出射光路上，用于接收散射光束，所述散射光束是所述扩束后的激光光束在所述待测目标上散射后形成的；
狭缝，设置在所述接收天线的输出光路上，用于滤除所述散射光束中的杂光；
聚焦透镜，设置在所述狭缝的出射光路上，用于对滤除杂光后的散射光束进行聚焦，形成聚焦光束；
偏振分光系统，设置在所述聚焦透镜的输出光路上，用于将所述聚焦光束分成多束不同偏振角度的偏振光；
条纹管探测器，设置在所述偏振分光系统的输出光路上，用于将各不同偏振角度的偏振光重构为对应角度的偏振图像，形成多幅不同偏振角度的偏振图像；
图像采集装置，设置在所述条纹管探测器上，用于采集所述多幅不同偏振角度的偏振图像；
图像处理装置，与所述图像采集装置连接，用于对所述多幅不同偏振角度的偏振图像进行处理，得到所述待测目标的距离信息、强度信息和全偏振信息。
可选的，所述偏振分光系统包括第一分光装置、第二分光装置和第三分光装置。
可选的，所述第一分光装置包括：
第一分光棱镜，设置在所述聚焦透镜的输出光路上，用于产生第一反射光和第一透射光；
第一偏振片，设置在所述第一分光棱镜发出的第一反射光的光路上，用于产生第一偏振角度的偏振光；
第一聚焦透镜，设置在所述第一偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第一偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第一偏振角度的偏振光。
可选的，所述第二分光装置包括：
第二分光棱镜，设置在所述第一分光棱镜发出的第一透射光的光路上，用于产生第二反射光和第二透射光；
第二偏振片，设置在所述第二分光棱镜发出的第二反射光的光路上，用于产生第二偏振角度的偏振光；
第二聚焦透镜，设置在所述第二偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第二偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第二偏振角度的偏振光。
可选的，所述第三分光装置包括：
平面反射镜，设置在所述第二分光棱镜发出的第二透射光的光路上，用于产生第三反射光；
第三偏振片，设置在所述平面反射镜发出的第三反射光的光路上，用于产生第三偏振角度的偏振光；
第三聚焦透镜，设置在所述第三偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第三偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第三偏振角度的偏振光。
可选的，所述第一偏振片的第一偏振角度为0度；所述第二偏振片的第二偏振角度为90度；所述第三偏振片的第三偏振角度为120度。
可选的，所述图像采集装置为CCD相机。
可选的，所述第一分光棱镜为非等分分光棱镜。
可选的，所述第二分光棱镜为等分分光棱镜。
可选的，所述激光器发出的激光光束的波长为532nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，所述装置包括：激光器；扩束镜，设置在激光器的输出光路上；接收天线，设置在待测目标的出射光路上；狭缝，设置在接收天线的输出光路上；聚焦透镜，设置在狭缝的出射光路上；偏振分光系统，设置在聚焦透镜的输出光路上；条纹管探测器，设置在偏振分光系统的输出光路上；图像采集装置，设置在条纹管探测器上；图像处理装置，与图像采集装置连接。本发明不仅可以得到被测目标的距离信息和强度信息，还可以得到被测目标的全偏振信息，例如偏振度、退偏度、偏振方位角和相位变化等，即能够同时获取被测目标的强度信息、距离信息和全偏振信息，提高了对待测目标进行探测和识别的精度，对背景复杂、具有隐藏能力的目标探测和识别有着重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种全偏振条纹管激光成像雷达装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种全偏振条纹管激光成像雷达装置的结构示意图。
参见图1，实施例的全偏振条纹管激光成像雷达装置，包括：
激光器1，用于发出激光光束，所述激光器1为Nd：YAG激光器，所述激光光束的波长为532nm；扩束镜2，设置在所述激光器1的输出光路上，用于对所述激光光束进行扩束，并将扩束后的激光光束入射到待测目标上；接收天线3，设置在所述待测目标的出射光路上，用于接收散射光束，所述散射光束是所述扩束后的激光光束在所述待测目标上散射后形成的；狭缝4，设置在所述接收天线3的输出光路上，用于滤除所述散射光束中的杂光；聚焦透镜5，设置在所述狭缝的出射光路上，用于对滤除杂光后的散射光束进行聚焦，形成聚焦光束；偏振分光系统6，设置在所述聚焦透镜5的输出光路上，用于将所述聚焦光束分成多束不同偏振角度的偏振光；条纹管探测器7，设置在所述偏振分光系统6的输出光路上，用于将各不同偏振角度的偏振光重构为对应角度的偏振图像，形成多幅不同偏振角度的偏振图像；图像采集装置8，设置在所述条纹管探测器7上，用于采集所述多幅不同偏振角度的偏振图像；图像处理装置9，与所述图像采集装置8连接，用于对所述多幅不同偏振角度的偏振图像进行处理，得到所述待测目标的距离信息、强度信息和全偏振信息。
本实施例中，所述偏振分光系统6包括第一分光装置、第二分光装置和第三分光装置。
所述第一分光装置包括：第一分光棱镜10，设置在所述聚焦透镜5的输出光路上，用于产生第一反射光和第一透射光；第一偏振片11，设置在所述第一分光棱镜10发出的第一反射光的光路上，用于产生第一偏振角度的偏振光；所述第一偏振片11的第一偏振角度为0度；第一聚焦透镜12，设置在所述第一偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第一偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第一偏振角度的偏振光。
所述第二分光装置包括：第二分光棱镜13，设置在所述第一分光棱镜10发出的第一透射光的光路上，用于产生第二反射光和第二透射光；第二偏振片14，设置在所述第二分光棱镜13发出的第二反射光的光路上，用于产生第二偏振角度的偏振光；所述第二偏振片14的第二偏振角度为90度；第二聚焦透镜15，设置在所述第二偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第二偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第二偏振角度的偏振光。
所述第三分光装置包括：平面反射镜16，设置在所述第二分光棱镜13发出的第二透射光的光路上，用于产生第三反射光；第三偏振片17，设置在所述平面反射镜16发出的第三反射光的光路上，用于产生第三偏振角度的偏振光；所述第三偏振片17的第三偏振角度为120度；第三聚焦透镜18，设置在所述第三偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第三偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第三偏振角度的偏振光。
本实施例中，所述图像采集装置8为CCD相机；所述第一分光棱镜10为非等分分光棱镜；所述第二分光棱镜13为等分分光棱镜。
上述实施例的工作机制如下：
1)由发射机Nd:YAG激光器发射的激光，经过倍频获得532nm激光输出，通过扩束镜后，光束变换成扇形线光向被测目标发射。
2)经被测目标反射后的散射光进入接收天线，经狭缝滤波后聚集耦合到偏振分光系统，经偏振分光系统后散射光变为三束不同偏振角度的偏振光聚集到条纹管探测器的光电阴极上，光电阴极将光信号转换为电信号，经偏转系统偏转后，带有时间分辨信息、目标反射强度信息以及目标偏振信息的光电子通过微通道板(MCP)进一步放大，然后成像在条纹管探测器的荧光屏的不同位置上，形成三条不同条纹像，三条所述条纹像即为三幅不同偏振角度的偏振图像，三条所述条纹反应被测目标所在出射扇形线光视场中的轮廓(距离)、反射强度和偏振信息。
3)CCD相机的光输入端面面向条纹管探测器的三条条纹像，CCD相机将采集到的三条条纹像发送至图像处理装置中，经过图像处理装置的处理，得到待测目标的距离信息、强度信息和全偏振信息。具体实现过程如下：
本实施例中CCD相机获取到偏振角度分别为0度、90度和120度的偏振图像，并将这三幅偏振图像发送至图像处理装置中，图像处理装置采用如下公式计算Stokes矢量值{I,Q,U}，
其中，I0表示在0°方向的偏振图像的光强，I90表示在90°方向的偏振图像的光强，I120表示在120°方向的偏振图像的光强，I表示在0°、90°和120°方向的三幅偏振图像的光的总强度，Q表示在0°、90°和120°方向的三幅偏振图像上的线偏振光强的分量之差，U表示在90°和120°方向的偏振图像上的线偏振光的分量之差。
图像处理装置根据Stokes矢量值，最终得到待测目标的距离信息、强度信息和全偏振信息。
本实施例中的全偏振条纹管激光成像雷达装置，不仅可以得到被测目标的距离信息和强度信息，还可以得到被测目标的全偏振信息，例如偏振度、退偏度、偏振方位角和相位变化等，即能够同时获取被测目标的强度信息、距离信息和全偏振信息，提高了对待测目标进行探测和识别的精度，且可靠性高。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发出激光光束；
扩束镜，设置在所述激光器的输出光路上，用于对所述激光光束进行扩束，并将扩束后的激光光束入射到待测目标上；
接收天线，设置在所述待测目标的出射光路上，用于接收散射光束，所述散射光束是所述扩束后的激光光束在所述待测目标上散射后形成的；
狭缝，设置在所述接收天线的输出光路上，用于滤除所述散射光束中的杂光；
聚焦透镜，设置在所述狭缝的出射光路上，用于对滤除杂光后的散射光束进行聚焦，形成聚焦光束；
偏振分光系统，设置在所述聚焦透镜的输出光路上，用于将所述聚焦光束分成多束不同偏振角度的偏振光；
条纹管探测器，设置在所述偏振分光系统的输出光路上，用于将各不同偏振角度的偏振光重构为对应角度的偏振图像，形成多幅不同偏振角度的偏振图像；
图像采集装置，设置在所述条纹管探测器上，用于采集所述多幅不同偏振角度的偏振图像；
图像处理装置，与所述图像采集装置连接，用于对所述多幅不同偏振角度的偏振图像进行处理，得到所述待测目标的距离信息、强度信息和全偏振信息。
2.根据权利要求1所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述偏振分光系统包括第一分光装置、第二分光装置和第三分光装置。
3.根据权利要求2所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第一分光装置包括：
第一分光棱镜，设置在所述聚焦透镜的输出光路上，用于产生第一反射光和第一透射光；
第一偏振片，设置在所述第一分光棱镜发出的第一反射光的光路上，用于产生第一偏振角度的偏振光；
第一聚焦透镜，设置在所述第一偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第一偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第一偏振角度的偏振光。
4.根据权利要求3所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第二分光装置包括：
第二分光棱镜，设置在所述第一分光棱镜发出的第一透射光的光路上，用于产生第二反射光和第二透射光；
第二偏振片，设置在所述第二分光棱镜发出的第二反射光的光路上，用于产生第二偏振角度的偏振光；
第二聚焦透镜，设置在所述第二偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第二偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第二偏振角度的偏振光。
5.根据权利要求4所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第三分光装置包括：
平面反射镜，设置在所述第二分光棱镜发出的第二透射光的光路上，用于产生第三反射光；
第三偏振片，设置在所述平面反射镜发出的第三反射光的光路上，用于产生第三偏振角度的偏振光；
第三聚焦透镜，设置在所述第三偏振角度的偏振光的光路上，用于对所述第三偏振角度的偏振光进行聚焦，形成聚焦后的第三偏振角度的偏振光。
6.根据权利要求5所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第一偏振片的第一偏振角度为0度；所述第二偏振片的第二偏振角度为90度；所述第三偏振片的第三偏振角度为120度。
7.根据权利要求1所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述图像采集装置为CCD相机。
8.根据权利要求3所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第一分光棱镜为非等分分光棱镜。
9.根据权利要求4所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述第二分光棱镜为等分分光棱镜。
10.根据权利要求1所述的一种全偏振条纹管激光成像雷达装置，其特征在于，所述激光器发出的激光光束的波长为532nm。
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